Fast so hart wie Diamant, aber amorph wie Glas
Neuer „Superkohlenstoff“ hält enormen Drücken von bis zu 130 Gigapascal stand.
Kein anderes Material auf der Erde ist so hart wie Diamant. Doch ein neuer Werkstoff – ebenfalls aus dem Element Kohlenstoff – könnte nun nahe an die Stabilität von Diamantkristallen heranreichen. Für die Synthese des neuen Werkstoffs nutzten amerikanische Physiker eine Hochdruckpresse, wie sie sie sonst bei der Analyse von geologischen Proben verwenden. Sie komprimierten amorphen Kohlenstoff und erhielten ein extrem hartes Material, das ebenfalls keine geordnete Kristallstruktur aufweist.
Abb.: Die Anker (blau) einer Hochdruckpresse pressen glasartigen Kohlenstoff zu einem neuen, extrem harten Allotrop. (Bild: Lin et al., Stanford U.)
„Manchmal kann ein amorphes Material mit großer Härte von Vorteil gegenüber kristalline Formen wie Diamant sein“, sagt Yu Lin vom Fachbereich für Geologie und Umwelt an der Stanford University. Denn hängt die Stabilität von Diamanten jeweils von der Ausrichtung der Kristalle ab, ist ein amorphes Material gegenüber Belastungen von allen Seiten gleich unempfindlich. So erwarten die Forscher um Lin viele neue Impulse von ihrem neuen Werkstoff: Von dem möglichen Einsatz in Hochdruckpressen bis zur Entwicklung anderer, extrem harter Substanzen, die nun auf der Basis dieser Versuche synthetisiert werden könnten.
Als Ausgangsstoff wählten Lin und Kollegen eine reine Kohlenstoffverbindung, in der sich die Atome ungeordnet wie in Glas zusammen lagern. Dieses „Glas-Karbon“ mit vorwiegend sp2-hybridisierten Kohlenstoffatomen wie auch im Grafit pressten sie mit 40 Gigapascal zusammen – das entspricht dem 400.000-fachen Druck der Erdatmosphäre. Sie erhielten ein Kohlenstoff-Allotrop, in dem alle Atome dieses amorphen Werkstoffs in einer sp3-Hybridisierung vorlagen.
Über die Analyse von Raman-Spektren und Röntgenstreu-Mustern – aufgenommen an der Synchrotronquelle des Slac National Accelerators Laboratory in Menlo Park – konnten sie die ungewöhnliche Kombination von diamanttypischer sp3-Hybridisierung und amorphem Aufbau belegen. Die darauf folgende Belastungsversuche überraschten die Forscher mit einer hohen Widerstandsfähigkeit. Drücken von bis zu 130 Gigapascal hielt diese neue Form des Kohlenstoffs ohne Schaden stand. Das Kompressionsmodul von Diamant liegt mit 442 Gigapascal zwar noch deutlich höher, doch variiert dieser Wert in Abhängigkeit von der Ausrichtung der Kristalle.
Auf der Grundlage dieser Untersuchungen könnten sich nun gezielt weitere, glasartig-amorphe Materialien entwickeln lassen. Es ist nicht auszuschließen, dass die Forscher sogar ein Rezept finden, um einen Werkstoff zu fertigen, der in allen Ausrichtungen sogar noch näher an die Härte von Diamanten heranreicht.
Jan Oliver Löfken
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